CN110439634A - 一种用于直联天然气向心透平膨胀机发电设备 - Google Patents

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Abstract

一种用于直联天然气向心透平膨胀机发电设备，属于向心透平膨胀机发电技术领域。本发明天然气向心透平膨胀机包括型环、叶轮、喷嘴环、蜗壳和发电机主轴，发电机主轴穿过蜗壳且与蜗壳转动连接，蜗壳的侧壁上设置有干气密封的进气口和出气口，蜗壳的内壁安装有型环，蜗壳的内壁设置有喷嘴环，叶轮通过拉杆螺栓固定安装在发电机主轴的输入端；高速永磁同步发电机包括发电机定子组件、发电机主轴和发电机壳体，发电机定子组件固定安装在发电机壳体上，发电机主轴通过第一磁悬浮轴承、第二磁悬浮轴承与发电机壳体转动连接；蜗壳与发电机壳体固定连接。本发明省却了减速箱装置，占地面积小，本发明设备的性能良好、机组效率高且损失小。

Description

一种用于直联天然气向心透平膨胀机发电设备
技术领域
本发明涉及一种用于直联天然气向心透平膨胀机发电设备，属于向心透平膨胀机发电技术领域。
背景技术
天然气门站调压过程是通过调压撬的阀组直接降压，在天然气降压过程中会产生很大的压力降，释放大量的压力能，同时降压后温度明显下降，产生大量的冷能。而采用传统的节流阀等调压设施进行降压处理的工艺无法实现对天然气减压过程中能量的回收，因为这种减压工艺是以节流原理进行节流降压的，调压过程中损失较大，传统的减压方式在一定程度上造成能量的浪费。透平膨胀机是一种较好的能量转换装置，可有效回收天然气调压系统损失的能量。天然气透平膨胀机作为能量回收装置，在天然气管道上替代调压阀，可以将管道中带压天然气的焓转换为机械能并完成降压过程，机械能通过膨胀机的轴向外输出，带动发电机发电，也可以带动其它用能设备(如风机，泵，压缩机等)。向心透平具有结构紧凑、制造工艺简单、造价低廉等优点，随着工程技术的迅速发展，近些年来被使用的越来越多了。
目前，天然气高压输送是输气管道发展的趋势之一，我国西气东输及陕京线等输气管线的设计压力都已经达到10.0MPa，天然气在大流量、高压输送的情况下，蕴含大量能量。传统的大功率等级的透平膨胀机发电机组通常都要通过减速箱装置将膨胀机与发电机相连，会造成机组的效率降低，因此提供大功率磁悬浮高速天然气向心透平膨胀机发电设备将有广泛的应用前景。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述技术问题，进而提供一种用于直联天然气向心透平膨胀机发电设备。
本发明的技术方案：
一种用于直联天然气向心透平膨胀机发电设备，包括天然气向心透平膨胀机和高速永磁同步发电机，天然气向心透平膨胀机和高速永磁同步发电机同轴设置；
所述天然气向心透平膨胀机包括型环、叶轮、喷嘴环、蜗壳和发电机主轴，所述发电机主轴穿过蜗壳且与蜗壳转动连接，所述蜗壳的侧壁上设置有进气口和出气口，所述蜗壳的内壁安装有型环，所述蜗壳的内壁设置有喷嘴环，所述叶轮固定安装在所述发电机主轴的输入端；
所述高速永磁同步发电机包括发电机定子组件、发电机主轴和发电机壳体，所述发电机定子组件固定安装在发电机壳体上，发电机主轴通过第一磁悬浮轴承、第二磁悬浮轴承与发电机壳体转动连接；
所述蜗壳与发电机壳体固定连接。
进一步，所述第一磁悬浮轴承与第二磁悬浮轴承的两侧分别设置有第一辅助轴承和第二辅助轴承，发电机主轴分别通过第一辅助轴承、第二辅助轴承与发电机壳体转动连接。
进一步，所述天然气向心透平膨胀机的发电机主轴与蜗壳之间设置有干气密封，所述干气密封包括分别与一号动环相贴合的一号密封静环组件、与三号动环相贴合的二号密封静环组件和与二号动环相贴合的干气密封静环组件，所述一号动环、二号动环和三号动环均与发电机主轴转动连接，所述一号密封静环组件与干气密封静环组件通过第一螺栓与蜗壳固定连接，所述二号密封静环组件通过第二螺栓与发电机壳体固定连接。
进一步，所述蜗壳与发电机壳体固定安装在底座上。
进一步，所述叶轮通过拉杆螺栓固定安装在发电机主轴的输入端。
进一步，蜗壳的截面形状为非对称椭圆形截面。
本发明具有以下有益效果：本发明将天然气向心透平膨胀机的主轴和高速永磁同步发电机的主轴设计为同一根主轴，使得透平发电机组集成化程度高，且可有效提高整个设备的发电效率；在发电机主轴与壳体之间设置有干气密封组件，可有效阻止流动在透平膨胀机内的工质进入高速发电机内部；通过在壳体与发电机主轴之间安装有磁悬浮轴承，能够大大降低机组振动值和噪音，并且实现超高转速，充分发挥出转子的性能；本发明省却了减速箱装置，占地面积小，本发明设备的性能良好、机组效率高且损失小。
附图说明
图1是一种本发明结构示意图；
图2是干气密封结构示意图；
图3的蜗壳的结构示意图；
图4是喷嘴环的安装位置示意图；
图中1-型环，2-叶轮，3-喷嘴环，4-蜗壳，5-干气密封，6-拉杆螺栓，7-发电机主轴，8-第一辅助轴承，9-第一磁悬浮轴承，10-发电机定子组件，11-第二磁悬浮轴承，12-第二辅助轴承，13-发电机壳体，14-底座，15-进气口，16-出气口,51-一号密封静环组件，52-干气密封静环组件，53-二号密封静环组件，54-第一螺栓，55-第二螺栓，56-一号动环，57-二号动环，58-三号动环。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明进行详细说明。
结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式一种用于直联天然气向心透平膨胀机发电设备，包括天然气向心透平膨胀机和高速永磁同步发电机，天然气向心透平膨胀机和高速永磁同步发电机同轴设置；天然气向心透平膨胀机包括型环1、叶轮2、喷嘴环3、蜗壳4、干气密封5、拉杆螺栓6和发电机主轴7，发电机主轴7穿过蜗壳4且与蜗壳4转动连接，蜗壳4的侧壁上设置有干气密封进气口15和干气密封出气口16，进气口15用于密封气体进气，出气口16用于混合气体排气，蜗壳4的内壁安装有型环1，蜗壳4的内壁设置有喷嘴环3，将喷嘴环3通过螺栓固定安装在型环1的内壁上，采用止口设计对喷嘴环3实现定位的作用，叶轮2通过拉杆螺栓6固定安装在发电机主轴7的输入端；如此设置，蜗壳4与发电机壳体13固定连接，蜗壳4的截面形状为非对称椭圆形截面，蜗壳4的作用是为了把气流经管道均匀的分配到喷嘴环3上，并尽可能地减少能量损失；叶轮2与发电机主轴7固定连接，通过叶轮2的旋转从而带动发电机主轴7实现转动。
优选实施例，高速永磁同步发电机包括发电机定子组件10和发电机壳体13，发电机定子组件10固定安装在发电机壳体13上，发电机主轴通过第一磁悬浮轴承9、第二磁悬浮轴承11与发电机壳体13转动连接；进一步优化，第一磁悬浮轴承9与第二磁悬浮轴承11的两侧分别设置有第一辅助轴承8和第二辅助轴承12，发电机主轴7分别通过第一辅助轴承8、第二辅助轴承12与发电机壳体13转动连接；如此设置，通过安装有磁悬浮轴承以及辅助轴承，传动部分能够实现完全不接触悬浮运行，做到真正的免润滑且结构紧凑。
进一步优化，天然气向心透平膨胀机的主轴7与蜗壳4之间设置有干气密封5，干气密封5包括分别与一号动环56相贴合的一号密封静环组件51、与三号动环58相贴合的二号密封静环组件53和与二号动环57相贴合的干气密封静环组件52，所述一号动环56、二号动环57和三号动环58均与发电机主轴7转动连接。一号密封静环组件51与干气密封静环组件52通过第一螺栓54与蜗壳4固定连接，二号密封静环组件53通过第二螺栓55与发电机壳体13固定连接；如此设置，密封组件可有效阻止流动在向心透平膨胀机内的工质进入发电机内部，从而提高了高能量工质的利用率；再进一步地，干气密封的工作原理为：当动环旋转时，动环向静环端面挤压，静环在弹簧力的作用靠近动环，作用在动环背面的气体压力和弹簧力形成平衡，密封保持非接触，无磨损运转。
蜗壳4与发电机壳体13固定安装在底座14上。
天然向心透平膨胀机通过蜗壳的法兰与天然气管道连接，作为能量回收装置，在天然气管道上替代调压阀，可以将管道中带压天然气的焓转换为机械能并完成降压过程，机械能通过膨胀机的轴向外输出，带动发电机发电。工作时，喷嘴环3和干气密封5均静止不动，工质气体进入蜗壳4内，喷嘴环3喷向叶轮2，使叶轮2发生转动，从而带动发电机主轴7发生转动，发电机主轴7和叶轮2共同转动，将高压的天然气经过向心透平膨胀机后，带动转子做功，输送至高速永磁同步发电机，由压力能被回收转化为电能，膨胀后的低压天然气压力满足下游用户需求，通过出口法兰与下游管道连接。
一种用于直联天然气向心透平膨胀机发电设备的具体实施步骤为：
天然气向心透平膨胀机：首先进行热力计算，然后完成叶轮的三维造型，通过CFD软件进行分析与优化，最后定型；再进行另一关键部件蜗壳的设计计算，蜗壳的性能良好，流动损失小，变工况条件下总压损失小于1％；蜗壳出口处天然气流量分布较为均匀，气流能以合理的角度与速度均匀地流入喷嘴；可在变工况条件下，天然气流量在流量为56～159kg/s的范围内安全、稳定、高效地运行。关键部件叶轮采用高强度航空铝，五轴联动高速铣削成型，经过CAE分析、100％X射线探伤和115％的超转速试验。
步骤1：热力计算
设计参数如下：
设计流量：60万Nm3/h
膨胀比：1.34
工质：天然气
根据公式(ρ-密度，P-压力，T-绝对温度，R-气体常数)计算出天然气膨胀机进口处的密度，得出质量流量，进行热力计算。热力计算过程通过实际气体的过程方程式、流量连续方程式、动量方程式和能量方程式等相关公式求解。
通过热力计算确定透平膨胀机的转速，各个特征点上的热力参数，并最终确定透平通流部件进、出口的气流参数，喷嘴和叶轮的基本尺寸，以及透平的热效率和功率。
步骤2：气动计算
在热力计算的基础上进行三维造型，进行流场仿真计算，结合三维CFD计算对三维几何模型进行通流部件的优化设计，并进行变工况性能优化。
步骤3：进气蜗壳的设计
采用蜗壳进行导流，把气流从管道均匀地分配到喷嘴环上，并且尽可能地减少能量损失，保证蜗壳出口内圆上气流的轴对称流动。
步骤4：结构设计
FEA有限元结构分析将对叶轮等旋转部件及静叶片、蜗壳静止部件进行有限元分析，充分考虑应力场、应变场、变形、振动特性等因素，评估叶轮、静叶片、蜗壳等结构的静强度，并分析典型工况下叶轮、静叶片、蜗壳等结构疲劳寿命特性。计算轴系的质量、重心、转动惯量、轴向推力等参数，为转子动力学计算提供数据输入，获得轴系的临界转速、模态、不平衡相应等特性，绘制Campbell图和干涉图，保证结构的稳定。
步骤5：与发电机的连接
采用磁悬浮轴承的高速永磁同步发电机与叶轮直联，无齿轮减速装置，无任何其他机械接触，无需润滑油系统，没有磨损及能量损耗，维护费用较低。
TC－扭矩
pw－功率(kw),
n－为转速(r/Min)；
K－为工作情况系数(1.25～1.5)；
根据公式计算出扭矩，通过计算确定端面齿的齿形和齿数，完成叶轮也轴的直联设计。
步骤6：转子动力学分析计算
完成天然气径向透平气动设计和强度校核后，充分考虑天然气透平的运行参数及工质特性等因素，重点考虑转子的运转稳定性及工质密封等关键技术问题，密封采用干气密封形式，进行转子动力学计算以确定轴颈尺寸、支撑位置，轴承跨距以及配重质量等关键参数，获得转子动力学特性良好的设计方案。
考核标准：设计转子需要进行转子的临界转速、不平衡响应计算，避开率、振动幅值、稳定性要求满足API-684和API-617标准。轴承方案选型需要满足API-610和ISO-281中关于DN值、寿命、轴向推力相关要求。
结合附图3说明本实施例，蜗壳的子午剖面型线为非对称圆形截面与非对称椭圆形截面，沿位置角θ的递增方向，子午剖面截面积逐渐增大。其特征在于蜗壳2从子午剖面J至子午剖面A的几何数据：子午剖面J至子午剖面A的位置角θ为11.25°～360°。11.25°～45°位置角范围内的子午剖面型线为非对称椭圆形，既保证11.25°～45°位置角范围内蜗壳均匀配气所需的截面面积，又使全周的喷嘴环外径d均为定值，即子午剖面与喷嘴高度基准线DL’的交点均在椭圆形型线下象限点的左侧，便于加工；90°～360°位置角范围内的子午剖面型线为非对称圆形。45°～90°位置角范围内的蜗壳区域根据子午剖面H和子午剖面G扫略而成。
各子午剖面的圆形与椭圆形型线均与基准线DL相切，圆形型线的半径Rc与该圆形中心到基准线DL的距离相等，椭圆形型线的长半轴的长度LR与该椭圆形中心到基准线DL的距离相等。
子午剖面A的位置角θ为360°；子午剖面B的位置角θ为315°；子午剖面C的位置角θ为270°；子午剖面D的位置角θ为225°；子午剖面E的位置角θ为180°；子午剖面F的位置角θ为135°；子午剖面G的位置角θ为90°；子午剖面H的位置角θ为45°；子午剖面I的位置角θ为22.5°；子午剖面J的位置角θ为11.25°。
截面A～G为圆形，截面H～J为椭圆形。采用设计软件进行叶轮初步设计，通过CFD软件进行分析与优化，并进行强度校核，最后定型。
一种用于直联天然气向心透平膨胀机发电设备，其制备方法为：
天然气向心透平膨胀机，采用先进的设计软件进行初步设计，确定叶轮基本尺寸和转速，通过CFD计算进行分析与优化，定型后进行蜗壳的设计计算，考虑不同截面处气体的流量不一样，设计的蜗壳通流截面沿气流方向逐渐减小，通过优化设计让气体在蜗壳内流动的损失最小；工质为天然气，必须保证零泄漏，密封采用干气密封，蜗壳的结构设计要考虑密封型式，通过进行转子动力学分析计算，叶轮工作转速避开转子的临界转速。确定轴的结构，透平膨胀机的叶轮与采用磁悬浮轴承的高速永磁同步发电机直联，保证机组高效可靠的运行。
本实施方式只是对本专利的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域技术人员还可以对其局部进行改变，只要没有超出本专利的精神实质，都在本专利的保护范围内。

Claims (6)

1.一种用于直联天然气向心透平膨胀机发电设备，其特征在于，包括天然气向心透平膨胀机和高速永磁同步发电机，天然气向心透平膨胀机和高速永磁同步发电机同轴设置；
所述天然气向心透平膨胀机包括型环(1)、叶轮(2)、喷嘴环(3)、蜗壳(4)和发电机主轴(7)，所述发电机主轴(7)穿过蜗壳(4)且与蜗壳(4)转动连接，所述蜗壳(4)的侧壁上设置有干气密封进气口(15)和干气密封出气口(16)，所述蜗壳(4)的内壁安装有型环(1)，所述蜗壳(4)的内壁设置有喷嘴环(3)，所述叶轮(2)固定安装在所述发电机主轴(7)的输入端；
所述高速永磁同步发电机包括发电机定子组件(10)、发电机主轴(7)和发电机壳体(13)，所述发电机定子组件(10)固定安装在发电机壳体(13)上，发电机主轴(7)通过第一磁悬浮轴承(9)、第二磁悬浮轴承(11)与发电机壳体(13)转动连接；
所述蜗壳(4)与发电机壳体(13)固定连接。
2.根据权利要求1所述的一种用于直联天然气向心透平膨胀机发电设备，其特征在于，所述第一磁悬浮轴承(9)与第二磁悬浮轴承(11)的两侧分别设置有第一辅助轴承(8)和第二辅助轴承(12)，所述发电机主轴(7)分别通过第一辅助轴承(8)、第二辅助轴承(12)与发电机壳体(13)转动连接。
3.根据权利要求2所述的一种用于直联天然气向心透平膨胀机发电设备，其特征在于，所述天然气向心透平膨胀机的发电机主轴(7)与蜗壳(4)之间设置有干气密封(5)，所述干气密封(5)包括分别与一号动环(56)相贴合的一号密封静环组件(51)、与三号动环(58)相贴合的二号密封静环组件(53)和与二号动环(57)相贴合的干气密封静环组件(52)，所述一号动环(56)、二号动环(57)和三号动环(58)均与发电机主轴(7)转动连接，所述一号密封静环组件(51)与干气密封静环组件(52)通过第一螺栓(54)与蜗壳(4)固定连接，所述二号密封静环组件(53)通过第二螺栓(55)与发电机壳体(13)固定连接。
4.根据权利要求3述的一种用于直联天然气向心透平膨胀机发电设备，其特征在于，所述蜗壳(4)与发电机壳体(13)固定安装在底座(14)上。
5.根据权利要求4述的一种用于直联天然气向心透平膨胀机发电设备，其特征在于，所述叶轮(2)通过拉杆螺栓(6)固定安装在发电机主轴(7)的输入端。
6.根据权利要求5述的一种用于直联天然气向心透平膨胀机发电设备，其特征在于，所述蜗壳(4)的截面形状为非对称椭圆形截面。
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